[发明专利]离子液体负载钯催化剂及其应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种离子液体负载钯催化甲烷等离子体制乙烯的方法，属于甲烷转化反应研究领域。

背景技术

石油资源的长期大量开采，其储量日趋匮乏。人们对相对储量大、价格低廉的天然气的开发利用越来越重视。天然气它作为一种高效、优质、清洁的能源和化工原料，将逐步取代石油而占主导地位成为二十一世纪的主要能源。因而研究和开发天然气利用新技术、新工艺也就成为人们关注的焦点。

CH₄是天然气的主要成份，在热力学上极为稳定，它几乎不能提供活性基团，如何使稳定的甲烷分子得到有效活化进而实现合理转化一直被人们所关注。乙烯工业是石油化工产业的核心，乙烯产品占石化产品的70％以上，在国民经济中占有重要的地位，世界上已将乙烯产品作为衡量一个国家石油化工生产水平的重要标志之一。因此甲烷偶联制备乙烯的研究工作，对由目前基于石油生产化工基本原料转向以天然气为主生产化工基本原料的石油化工战略转移具有非常重要的学术和经济意义。实现甲烷转化的关键是甲烷中C-H键的活化，现有的方法较多，如催化活化法、电化学活化法、光催化活化法和等离子体活化法等。其中，等离子体具有足够高的能量能使甲烷分子激发、离解和电离，形成高活性的反应物种，是一种有效的甲烷活化手段。而低温等离子体技术以其相对温和的反应条件为甲烷转化提供了新的工艺方法。

国内外研究表明，纯甲烷在等离子体条件下能有效的活化和转化，但存在积碳问题并且目标产物的选择性不高。近几年来，等离子体技术与固体催化剂协同作用促进甲烷转化的研究取得了较大进展，但仍存在催化剂失活，对环境造成污染，回收难等问题。离子液体也称为室温离子液体或低温熔融盐，通常是指熔点低于100℃的有机盐。作为一种新型绿色环保溶剂和催化剂介质，离子液体具有一系列突出的优点，如熔点低、不挥发、液程范围宽、热稳定性好、溶解能力强、性质可调、不宜燃烧、电化学窗口宽等。可以通过设计和改变阴阳离子的结构和组成来调节离子液体的性质，以达到特定的应用目的，目前已广泛应用于化学反应，萃取分离过程，电化学反应中。以离子液体作为催化剂，在等离子体条件下实现甲烷转化对克服积碳问题、目标产物选择性不高和催化剂易失活等问题带来了新的机遇。专利《离子液体催化等离子体甲烷转化制C₂烃的方法》(ZL2006101558097)虽然实现了离子液体与等离子体共同催化甲烷转化反应，但是乙烯的选择性并不高。鉴于此，发明人将离子液体负载钯催化剂引入到等离子体甲烷转化反应中，以克服上述问题。

发明内容

本发明的目的在于克服甲烷转化制乙烯反应中选择性低的不足，提供一种离子液体负载钯催化剂，以及使用其催化甲烷等离子体制乙烯的方法。

本发明所述的离子液体负载钯催化剂中，钯的质量百分含量为0.02％～0.5％。该催化剂通过将钯盐粉末加入离子液体中，30～50℃搅拌制得。

上述本发明的技术方案中，优选使用氯化钯或硝酸钯的粉末来制备催化剂。所述及的离子液体为咪唑类离子液体，其结构式如下：

其中：n为4或6，X-为HSO₄^-、CF₃COO^-或BF₄^-。

本发明另一方面的目的是提供一种催化甲烷等离子体制备乙烯的方法，所述方法使用上述本发明的离子液体负载钯为催化剂。

作为优选的，本发明的上述催化甲烷等离子体制备乙烯的方法包括如下步骤：

①将钯盐粉末加入离子液体中，30～50℃搅拌，使离子液体溶液中钯的质量百分含量为0.02％～0.5％，得离子液体负载钯催化剂；其中离子液体溶液中钯的质量百分含量最优选0.2％；

②向反应装置中加入离子液体负载钯催化剂；

③调整上下电极间距至6～12mm；

④通入氢气体积百分含量为20％～80％的甲烷临氢原料气，优选60％；

⑤接通直流高压等离子体电源，调节放电电压至反应装置中产生等离子体。